UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO - ESCOLA DE MINAS DEPARTAMENTO ENGENHARIA CIVIL
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL
ANÁLISE DE LIGAÇÕES DE SISTEMAS DE ARMAZENAGEM
INDUSTRIAL TIPO PORTA-PALLETS
AUTOR: SÉRGIO ALVES DE MIRANDA
ORIENTADORA: Prof.(a) Dra. Arlene Maria Sarmanho Freitas
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação do Departamento de Engenharia Civil da Escola de Minas da Universidade Federal de Ouro Preto, como parte integrante dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil, área de concentração: Construção Metálica.
IV
AGRADECIMENTOS
• Agradeço a Deus pela vida;
• Aos meus pais, Geraldo e Aparecida, pelo amor imensurável e pelo apoio constante. Sem eles não teria chegado aqui;
• Ao meu irmão Vagner, pelos momentos descontraídos que sempre passamos juntos;
• À minha noiva Elizabeth, pelo carinho e apoio;
• Aos meus amigos Guilherme e Sineval, pelo companheirismo e ajuda;
• A todos os colegas de classe e do Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia Civil da UFOP;
• À secretária do PROPEC, Róvia, pela paciência e disposição no atendimento aos alunos;
• À professora Arlene Maria Sarmanho Freitas, pela confiança, orientação e ensinamentos;
• A todos os professores do PROPEC, em especial ao professor Marcílio Freitas, pela atenção aos alunos;
• À empresa Novus Engenharia Ltda, pelos dias liberados do trabalho para dedicação ao desenvolvimento desta dissertação;
V
RESUMO
VI
ABSTRACT
VII
SUMÁRIO
Capítulo 1. INTRODUÇÃO ... 1
1.1.Prescrições existentes ... 2
1.2.Estudos realizados ... 3
1.3.Objetivo e descrição do trabalho ... 7
Capítulo 2. SISTEMAS DE ARMAZENAGEM INDUSTRIAL... 9
2.1.Histórico ... 9
2.2.Tipos de Sistemas ... 10
2.1.1. Sistemas estáticos ... 12
2.1.2. Sistemas dinâmicos ... 12
2.3.Sistema do Tipo porta-pallets ... 12
2.3.1. Elementos componentes do sistema porta-pallets ... 14
2.3.1.1. Vigas ... 14
2.3.1.2. Colunas ... 15
2.3.1.3. Contraventamentos ... 16
2.3.1.4. Distanciadores ... 18
2.3.1.5. Placas de base ... 18
2.3.1.6. Ligações viga-coluna ... 19
2.4.Estabilidade do sistema ... 19
2.5.Critérios de operacionalização e segurança ... 20
Capítulo 3. LIGAÇÕES ... 21
3.1.Ligações semi-rígidas ... 21
3.2.Prescrições do RMI para cálculo da rigidez ... 22
3.2.1. Ensaio da viga em balanço (Cantilever Test) ... 22
3.2.2. Rigidez da ligação do “Cantilever Test” ... 24
3.3.Apresentação dos resultados experimentais ... 26
VIII
3.3.2. Resultados experimentais ... 29
Capítulo 4. ANÁLISE NUMÉRICA DAS LIGAÇÕES ... 32
4.1.Descrição dos modelos numéricos ... 32
4.1.1. Modelagem geométrica ... 33
4.1.2. Propriedades dos materiais utilizados ... 34
4.1.3. Elementos finitos utilizados ... 35
4.1.4. Condições de contorno ... 38
4.2.Aplicação do Carregamento ... 39
4.3.Apresentação e análise dos resultados ... 40
4.3.1. Modelos NC1-42x88, NC1-50x105 e NC1-50x120 ... 40
4.3.2. Modelos: NC2-42x88, NC2-50x105 e NC2-50x120 ... 48
4.3.3. Modelos: NC3-42x88, NC3-50x105 e NC3-50x120 ... 55
Capítulo 5. APRESENTAÇÃO E COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS EXPERIMENTAIS E NUMÉRICOS ... 63
5.1.Comparação dos resultados experimentais e numéricos ... 63
5.1.1. C1-42x88 (2) x NC1-42x88; C1-50x105 (3) x NC1-50x105; C1-50x120 (2) x NC1-50x120. ... 63
5.1.2. C2-42x88 (1) x NC2-42x88; C2-50x105 (1) x NC2-50x105; C2-50x120 (2) x NC2-50x120. ... 66
5.1.3. Modelos: C3-42x88 (1) x NC3-42x88; C3-50x105 (1) x NC3-50x105; C3-50x120 (2) x NC3-50x120 ... 69
Capítulo 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 75
Referências bibliográficas ... 77
IX
LISTA DE FIGURAS
Capítulo 1
Figura 1.1. Sistema de armazenagem do tipo porta-pallets (MECALUX, 2011) ... 1
Figura 1.2. Ligação viga-coluna utilizando “garras dentadas”: (a) Visão geral (ÁGUIA, 2011); (b) Detalhe da “garra dentada” ... 2
Figura 1.3. Componentes do sistema do tipo drive-in (ÁGUIA, 2011) ... 4
Capítulo 2 Figura 2.1. Tipos de seções utilizadas nas colunas dos racks: (a) Rack ou garrafa; (b) U enrijecido (CAMPOS, 2003) ... 10
Figura 2.2. Tipos de sistema de armazenagem industrial: (a) Porta-pallets (MECALUX, 2011); (b) Flow rack (BERTOLINI, 2011); (c) Cantilever (BERTONILI, 2011)... ... 11
Figura 2.3. Estocagem manual de produtos (ESMENA, 2011) ... 11
Figura 2.4. Estocagem através de empilhadeira (MECALUX, 2011) ... 11
Figura 2.5. Tipos de pallets: (a) de madeira; (b) metálico (RIBEIRO, 2006) ... 12
Figura 2.6. Esquema de sistema porta-pallets em funcionamento (MECALUX, 2011).13 Figura 2.7. Vista superior do sistema porta-pallets (CAMPOS, 2003) ... 13
Figura 2.8. Componentes do sistema porta-pallets. Vista tridimensional (MECALUX, 2011) ... 14
Figura 2.9. Seções transversais usuais das vigas do porta-pallets. Da esquerda para direita: Seções U, I, Sigma, fechada e semi-aberta (RIBEIRO, 2006) ... 14
Figura 2.10. Tipo de configuração de carregamento utilizado no sistema porta-pallets. No centro da imagem três pallets por viga e no canto direito dois pallets por viga (ÁGUIA, 2011) ... 15
Figura 2.11. Tipos de seções utilizadas nas colunas dos racks (CAMPOS, 2003) ... 16
X
Figura 2.13. Contraventamentos laterais do sistema porta-pallets (ÁGUIA, 2011) ... 17
Figura 2.14. Contraventamentos adicionais para o sistema porta-pallets: (a) Contraventamento vertical (ALTAMIRA, 2011); (b) Contraventamento verical (MECALUX, 2011); (c) Contraventamento horizontal (ALTAMIRA, 2011) ... 18
Figura 2.15. Distanciadores do sistema porta-pallets (ESMENA, 2011) ... 18
Figura 2.16. Placa de base mais usada nos sistemas porta-pallets (RIBEIRO, 2006) ... 19
Capítulo 3 Figura 3.1. Configuração do Cantilever Test (RMI, 2008) ... 23
Figura 3.2. Obtenção par de valores P0,85 e 0,85 através da curva carga x deslocamento com indicação da carga última (Pu) (OLIVEIRA, 2000) ... 26
Figura 3.3. Nomenclatura adotada para identificação das dimensões da seção tipo rack das colunas ... 27
Figura 3.4. Sistema de eixos para cálculo das propriedades geométricas: (a) colunas; (b) vigas ... 29
Capítulo 4 Figura 4.1. Modelo inicial gerado no software AutoCad 2008 ... 33
Figura 4.2. Modelo geométrico finalizado ... 34
Figura 4.3. Elemento de casca Shell 181 (Ansys 11.0) ... 35
Figura 4.4. Elemento de contato Target 170 (Ansys 11.0) ... 36
Figura 4.5. Elemento de contato Conta 174 (Ansys 11.0) ... 36
Figura 4.6. Detalhe do elemento Shell 181 aplicado ao modelo numérico ... 37
Figura 4.7. Elementos Target 170 (verde) e Conta 174 (marrom), aplicados no contato garra-coluna ... 37
Figura 4.8. Restrições aplicados aos nós das seções extremas da coluna, simulando os suportes rígidos ... 38
Figura 4.9. Acoplamento dos nós dos furos da coluna e garra (direita); e na região garra-coluna (esquerda) ... 39
Figura 4.10. Translação liberada em “z” para obtenção do deslocamento desejado ... 40
XI
Figura 4.12. Distribuição de tensões (von Mises) das vigas dos modelos: (a) NC1-42x88; (b) NC1-50x105; (c) NC1-50x120 ... 44 Figura 4.13. Distribuição de tensões nas garras dos modelos: (a) 42x88; (b) NC1-50x105; (c) NC1-50x120 ... 45 Figura 4.14. Distribuição de tensões (von Mises) nas colunas dos modelos: (a) NC1-42x88; (b) NC1-50x105; (c) NC1-50x120 ... 46 Figura 4.15. Curva carga x deslocamento de ligação dos modelos 42x88, NC1-50x105 e NC1-50x120 ... 47 Figura 4.16. Distribuição das tensões (von Mises) dos modelos 42x88, NC2-50x105 e NC2-50x120 ... 49 Figura 4.17. Distribuição das tensões (von Mises) das vigas dos modelos: NC2-42x88, NC2-50x105 e NC2-50x120 ... 51 Figura 4.18. Distribuição de tensões (von Mises) das garras dos modelos: (a) NC2-42x88; (b) NC2-50x105; (c) NC2-50x120 ... 52 Figura 4.19. Distribuição de tensões (von Mises) nas colunas dos modelos: (a) NC2-42x88; (b) NC2-50x105; (c) NC2-50x120 ... 53 Figura 4.20. Curva carga x deslocamento da ligação dos modelos 42x88, NC2-50x105 e NC2-50x120 ... 54 Figura 4.21. Distribuição das tensões (von Mises) dos modelos: (a) NC3-42x88; (b) NC3-50x105; (c) NC3-50x120 ... 56 Figura 4.22. Distribuição das tensões (von Mises) para as vigas dos modelos: (a) NC3-42x88; (b) NC3-50x105; (c) NC3-50x120 ... 58 Figura 4.23. Distribuição de tensões (von Mises) para as garras dos modelos: (a) NC3-42x88; (b) NC3-50x105; (c) NC3-50x120 ... 59 Figura 4.24. Distribuição de tensões (von Mises) para as colunas dos modelos: (a) NC3-42x88; (b) NC3-50x105; (c) NC3-50x120 ... 60 Figura 4.25. Curva carga x deslocamento da ligação dos modelos 42x88, NC3-50x105 e NC3-50x120 ... 61
Capítulo 5
XII
XIII
LISTA DE TABELAS
Capítulo 3
Tabela 3.1. Dimensões nominais das seções das colunas tipo C1, C2 e C3 ... 28 Tabela 3.2. Nomenclatura adotada para as configurações dos modelos experimentais. 28 Tabela 3.3. Valores das inércias calculadas para determinação da rigidez da ligação ... 29 Tabela 3.4. Resultados experimentais do “Cantilever Test” (Freitas e Silva, 2007)...30 Tabela 3.5. Modelos selecionados para serem utilizados na análise numérica descrita no capítulo 4 ... 31
Capítulo 4
XIV Capítulo 5
XV
LISTA DE SÍMBOLOS
Capítulo 2 P = Força axial;
= deslocamento lateral;
P = carga aplicada na extremidade da viga; Lb = comprimento do braço de alavanca da viga; Lc = comprimento da coluna;
= rotação;
M = momento da ligação; F = rigidez da ligação;
P0,85 = carga referente a 85% da carga última;
0,85 = deslocamento correspondente ao valor da carga P0,85;
Capítulo 4
E = módulo da elasticidade;
Ic = momento de inércia da seção transversal da coluna em torno do eixo perpendicular ao plano da figura;
Ib = momento de inércia da seção transversal da viga em torno do eixo perpendicular ao plano da figura;
R.F. = fator de redução para garantir segurança quanto à dispersão dos resultados dos testes;
k = rigidez da ligação; Pu = carga última;
1
Capítulo 1
INTRODUÇÃO
Os sistemas de armazenagem industrial são utilizados para estocagem e distribuição de materiais. Denominados também por racks, esses sistemas são
frequentemente empregados em grandes centros comerciais de distribuição de produtos, além de fábricas, supermercados, almoxarifados, entre outros. Os racks vêm adquirindo
espaço no mercado brasileiro devido à sua praticidade na montagem e desmontagem, além de oferecer diversas opções de acordo com as características de cada cliente. A Figura 1.1 apresenta um exemplo desse tipo de sistema.
FIGURA 1.1 - Sistema de armazenagem do tipo porta-pallets (MECALUX, 2011).
Os racks são constituídos por perfis formados a frio e sua principal característica
são as perfurações ao longo de sua coluna, o que dispensa a necessidade de ligações parafusadas por apresentar “garras dentadas” nas extremidades de suas vigas (FIGURA 1.2) que se encaixam nas colunas. As ligações dos racks são consideradas semi-rígidas,
2
entre as flexíveis e as rígidas. As ligações flexíveis permitem a rotação de seus componentes, e as rígidas não possibilitam qualquer tipo de movimento, ou seja, a rotação é nula. As seções transversais mais utilizadas nos racks são: U enrijecido, caixa
e a seção tipo rack (ou garrafa). Esta última desenvolvida especialmente para esse tipo de sistema, facilitando a conexão dos contraventamentos e aumentando a resistência da coluna à torção.
(a) (b) FIGURA 1.2 - Ligação viga-coluna utilizando "garras dentadas". (a) Visão Geral (ÁGUIA, 2011); (b)
Detalhe da "garra dentada".
Devido a tais perfurações e à alta esbeltez de seus elementos, o comportamento estrutural dos racks se torna um fator de grande importância em sua análise global,
sendo a resistência teórica da coluna de difícil mensuração. Por isso, estudos experimentais são prescritos pelas normas para a avaliação da sua capacidade de carga e também das ligações semi-rígidas. Para se analisar a estabilidade dos racks, deve-se
avaliar a influência da semi-rigidez das ligações (viga-coluna e coluna-placa de base) e o uso de contraventamentos. As imperfeições geométricas, as folgas nas ligações e os impactos de empilhadeiras nas operações também afetam a estabilidade desses sistemas.
1.1. Prescrições existentes
3
visando à elaboração de prescrições específicas para esses sistemas de armazenagem. As prescrições mais importantes são listadas a seguir.
Na Austrália, os racks são avaliados pela Australian Steel Storage Racking Standard AS 4084 (1993), baseada principalmente no Rack Manufacturers Institute,
RMI (2008), exceto para a combinação de cargas, tolerâncias e folgas que são descritas a partir da Federation Europèenne de La Manutention (FEM, 2000).
Na Europa, a prescrição aplicada é a FEM (2000), juntamente à EUROCODE 3 (2005).
Na Inglaterra, é utilizada a norma Storage Equipment Manufacturers Association (SEMA, 1980), em conjunto com a norma britânica BS-499 (1969 e 1975).
Nos Estados Unidos, é empregada a RMI, junto às prescrições do American Iron and Steel Institute (AISI, 2007).
Em 1997, no Brasil, fabricantes e fornecedoras de equipamentos e serviços para a área de logística fundaram a Associação Brasileira de Movimentação e Logística (ABML). Publicaram um Manual de Especificação para projeto, testes e utilização de Sistemas de armazenagem (2002), baseado no RMI (1997) e no AISI (1996), embora cada fabricante tenha sua maneira particular para fabricar os elementos constituintes desses sistemas. Em 2007, da parceria da ABML e da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), foi criada a NBR 15524: Sistema de armazenagem - Diretrizes para o uso de estruturas tipo porta-pallets seletivos, que orienta o projeto, o cálculo, a
montagem e a utilização dessas estruturas.
1.2. Estudos realizados
Baseados nas prescrições existentes, pesquisadores vêm desenvolvendo estudos a fim de melhorar os procedimentos de dimensionamento dos sistemas de armazenagem industrial (racks). A seguir, tem-se um breve descritivo dos principais artigos no
assunto.
Godley (1991) apresentou os principais tipos de racks e seu histórico de
4
vigas e a avaliação da estabilidade global baseado nas especificações da SEMA e do FEM.
Oliveira (2000) estudou os sistemas de armazenagem industrial, ressaltando o sistema do tipo drive-in. Tal sistema é indicado para o armazenamento de produtos não
perecíveis e com baixa variedade de itens. Possui poucos corredores em função de utilizar vários paletes ao longo da profundidade do sistema. Possui apenas uma face de operação. Os paletes são armazenados em trilhos, também denominados de vigas de túnel, que são ligados a vigas curtas em balanço, chamadas de braços. Os braços possibilitam um túnel para o acesso de empilhadeiras no interior do sistema (FIGURA 1.3). Realizou ensaios experimentais para avaliar os valores de rigidez das ligações longarina-coluna e braço-coluna, além da influência dos furos na capacidade de carga das colunas. Os valores encontrados por meio de cálculos prescritos pelo RMI (1997) apresentaram boa correlação com os valores experimentais para a carga última das colunas. Quanto aos valores de rigidez das ligações, os resultados encontrados pelos diversos métodos mostraram-se semelhantes.
FIGURA 1.3 - Componentes do sistema do tipo drive-in (ÁGUIA, 2011).
Harris e Hancock (2002) estudaram a estabilidade de racks do tipo porta-pallets
por meio de um programa experimental para verificar a influência da rigidez das ligações considerando que o ensaio da viga em balanço, prescrito para avaliar as
Braço (viga curta)
Trilho (viga de túnel) Coluna
Palete
5
ligações, apresenta resultados controversos. Segundo os autores, as ligações perdem rigidez durante o carregamento da estrutura, alterando o seu comportamento.
Sarawit e Pekoz (2003) analisaram o comportamento dos sistemas de armazenagem industrial do tipo porta-pallets por meio de verificações numéricas dos
componentes dos racks e visando a uma melhoria das prescrições de dimensionamento.
Primeiramente, analisaram as placas de base e concluíram que o modelo atual é muito conservador, propondo uma nova equação para o dimensionamento. Avaliaram também os ensaios propostos pelo RMI das ligações entre vigas e colunas e concluíram que, para esforço cortante (cisalhamento), os ensaios não são apropriados para verificar esse efeito. Em seguida, simularam um pórtico prescrito pelo RMI para avaliar seu comportamento global. Para isso, foram empregados elementos de casca e de viga, comparando a influência dos modos local e distorcional da coluna na resistência do rack como um todo. Concluíram que o valor de rigidez da ligação e a modelagem da base influenciam diretamente no comportamento dos racks.
Campos (2003) realizou uma análise numérico-experimental do sistema do tipo
drive-in. Por meio do método dos elementos finitos, o sistema foi simulado, e a
influência dos efeitos de segunda ordem no comportamento da estrutura foi observada. Foi feita também a análise experimental da placa de base, com a determinação do valor de sua rigidez e, com a introdução desse dado no modelo numérico, foi realizada a avaliação de sua influência no comportamento global do sistema. A autora concluiu que a análise não linear para os sistemas drive-in é mais adequada em função da não
linearidade do comportamento da estrutura; a análise tridimensional é recomendada devido à interação entre os elementos da estrutura; e o momento fletor obtido com os resultados experimentais é mais elevado do que em resultados numéricos.
Teh et al (2004) compararam as simulações 2D e 3D dos sistemas de
armazenagem do tipo porta-pallets. A simulação 2D que é comum nas análises e
dimensionamentos, segundo os autores, não é eficaz para avaliar o comportamento estrutural do sistema. A simulação 3D, por sua vez, consegue captar as interações entre os diversos modos existentes. Concluíram também que os softwares comerciais que não
conseguem captar o empenamento devido à torção nas vigas dos racks são inadequados. Souza (2005) fez um estudo teórico-experimental do sistema drive-in, com uma
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componentes. Os resultados experimentais foram comparados com os numéricos, que consideraram parâmetros como a influência da fixação da base e rigidez das ligações entre a longarina e a coluna e entre o braço e a coluna. Após as análises, o pesquisador concluiu principalmente que as perfurações, as imperfeições geométricas e o encruamento dos materiais afetam consideravelmente o comportamento das colunas.
Aguirre (2005) realizou uma análise experimental das ligações com garras dentadas submetidas a cargas cíclicas. Percebeu que somente após os ganchos externos das garras escoarem, o modo de colapso se inicia, e essa plastificação progride em direção à linha neutra da viga. Em seguida, concluiu que nos projetos deve-se usar obrigatoriamente ligações semi-rígidas, sendo a ligação considerada rígida não conservadora.
Sarawit e Pekoz (2006) compararam o método do comprimento efetivo (utilizado pelo RMI) com o Método da Carga Nominal (utilizado no AISC), simulando, por meio de elementos finitos, diversos perfis formados a frio dos sistemas de armazenagem industrial. Eles chegaram à conclusão que o método do comprimento efetivo é mais conservador que o da carga nominal, embora concorde melhor com os resultados dos elementos finitos.
Ribeiro (2006) realizou uma análise experimental em colunas curtas com seção tipo rack de diferentes espessuras, com e sem furos, de modo a avaliar a influência das
perfurações na capacidade de carga e nas deformações sofridas durante os ensaios. A autora concluiu, principalmente, que a capacidade de carga das colunas com e sem furos sofre significativa redução devido às perfurações e que nas regiões próximas às perfurações os níveis de deformações são maiores.
Sajja et al (2008) fizeram estudos experimentais e numéricos para avaliar a
rigidez ao cisalhamento nos sistemas de armazenagem do tipo porta-pallets, uma vez
7
Rasmussen e Gilbert (2009) testaram experimentalmente todos os componentes dos sistemas de armazenagem industrial, ou seja, teste da coluna curta, da viga em balanço (ligação viga-coluna), da ligação placa de base, de cisalhamento e de flexão das colunas. Eles esclareceram e explicaram o teste sugerido na European Standard EM 15512 (2009) para medir o valor de rigidez da placa de base. Indicaram também posições para a instalação de transdutores para melhor captação do comportamento das placas de base e propuseram um método alternativo para determinar com precisão o valor de rigidez da ligação, verificando a estabilidade do sistema por meio da EM 15512 (2009).
Freitas et al (2010) fizeram uma análise numérica e experimental do sistema de
armazenagem industrial do tipo drive-in, verificando a influência de cada elemento no
comportamento global da estrutura. Modelos de elementos finitos foram desenvolvidos para avaliar o comportamento. Eles concluíram que as ligações e placas de base são os elementos que mais influenciam no comportamento do sistema e que as ligações semi-rígidas são mais adequadas levando os resultados numéricos e experimentais a uma maior proximidade. Apresentaram também uma equação para cálculo da resistência da placa de base.
Rasmussen e Hua (2011) realizaram um programa experimental para determinar o coeficiente de atrito entre vários tipos de paletes de madeira e um palete ferroviário. Outra série de testes também foi realizada para medir o valor de rigidez ao cisalhamento dos paletes de madeira. Os autores obtiveram um coeficiente de atrito estático de 0,44 para os paletes de madeira e suas rigidezes de cisalhamento de 3,9 N/mm e 8,3 N/mm para paletes em condições ruins e boas, respectivamente.
1.3. Objetivo e descrição do trabalho
O objetivo deste trabalho é avaliar o comportamento, o mecanismo de falha e a rigidez das ligações viga-coluna dos sistemas de armazenagem industrial do tipo porta-pallets por meio de modelos numéricos baseados em elementos finitos. Para tais
análises, foi utilizado o software comercial Ansys 11.0. Os resultados obtidos
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resultados numéricos são feitas com os resultados obtidos em um programa experimental realizado por Freitas e Silva (2007), no Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia Civil, da Universidade Federal de Ouro Preto. Em seguida, foram realizadas uma avaliação da prescrição do RMI (2008) para o cálculo dos valores de rigidez das ligações viga-coluna e uma análise da metodologia de determinação dos valores segundo a prescrição citada. Este estudo visa a contribuir no conhecimento do comportamento dessa tipologia de ligação de modo a possibilitar avaliações numéricas mais precisas para a análise e dimensionamento de sistemas estruturais tipo rack.
A seguir, é realizada uma descrição do conteúdo de cada capítulo deste trabalho. No Capítulo 2, são apresentados um histórico de sistema de armazenagem industrial e os tipos de sistema existentes. O sistema de armazenagem tipo porta-pallets
é detalhado e seus principais componentes são apresentados. Em seguida, são exibidos alguns critérios de segurança e condições de estabilidade para esses sistemas.
As ligações viga-coluna do sistema porta-pallets são expostas no capítulo 3
juntamente às prescrições do RMI para cálculo de sua rigidez. Os valores de rigidez das ligações obtidos experimentalmente por Freitas e Silva (2007) também são mostrados.
No capítulo 4, é descrita a análise numérica realizada, os modelos numéricos, o método do controle de deslocamentos utilizado na simulação e, por último, os resultados numéricos encontrados são apresentados e analisados.
No capítulo 5, os resultados experimentais e numéricos são comparados e analisados. Algumas sugestões e restrições quanto à equação prescrita pelo RMI (2008) também são apresentadas.
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Capítulo 2
SISTEMAS DE ARMAZENAGEM INDUSTRIAL
Uma breve descrição do histórico dos sistemas de armazenagem industrial é realizada neste capítulo, além de apresentar seus principais tipos (estáticos e dinâmicos), detalhar o funcionamento e descrever os componentes do sistema porta-pallets, avaliar
sua estabilidade e indicar os parâmetros que garantem a segurança durante sua operação.
2.1. Histórico
Os sistemas de armazenagem industrial surgiram em 1930, segundo Godley (1991). Eram compostos por cantoneiras de aço de perfis formados a frio (nas colunas) e apresentavam perfurações ao longo de seu comprimento. Os projetistas da época utilizavam ligações parafusadas nesses sistemas por ter um número variado de configurações possíveis.
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(a) (b)
FIGURA 2.1 - Tipos de seções utilizadas nas colunas dos racks: (a) rack ou garrafa; (b) U enrijecido
(CAMPOS, 2003).
Atualmente, existem diversas empresas no Brasil que fabricam esse tipo de sistema, podendo-se citar: Águia Sistemas de Armazenagem Ltda; Altamira Indústria Metalúrgica Ltda; Bertolini S/A - Sistemas de Armazenagem; Esmena do Brasil S.A; Fiel S/A Móveis e Equipamentos Industriais; Isma S/A Indústria Silveira de Móveis de Aço e Mecalux S.A. Todas essas empresas são associadas à Associação Brasileira de Movimentação e Logística (ABML), fundada em abril de 1997, com o objetivo de aumentar a representatividade do setor no mercado brasileiro.
2.2. Tipos de Sistemas
De acordo com o espaço disponível e o tipo dos produtos a serem armazenados, diversos racks podem ser utilizados (FIGURA 2.2). Para definir qual empregar, deve-se
estudar a densidade de armazenagem dos produtos, garantindo-lhes sempre uma boa acessibilidade. O que diferencia os sistemas é a altura entre as vigas, sua profundidade, o modo de armazenamento, etc.
Flange
Flange Enrijecedor
Alma
Flange de ligação
Alma
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(a) (b)
(c)
FIGURA 2.2 – Tipos de sistema de armazenagem industrial: (a) Porta-pallets (MECALUX, 2011); (b)
Flow rack (BERTOLINI, 2011); (c) Cantilever (BERTOLINI, 2011).
Os produtos podem ser “estocados” manualmente ou por meio de empilhadeiras (FIGURAS 2.3 e 2.4) e dispostos sobre chapas metálicas ou sobre um gradil. Este último, metálico ou de madeira, é chamado de palete (FIGURA 2.5).
FIGURA 2.3 - Estocagem manual de produtos, FIGURA 2.4 - Estocagem através de (ESMENA, 2011). Empilhadeira (MECALUX, 2011).
12
(a) (b) FIGURA 2.5 – Tipos de Paletes: (a) de madeira; (b) metálico (RIBEIRO, 2006).
2.1.1. Sistemas estáticos
Nos sistemas estáticos, as empilhadeiras são responsáveis pela movimentação individual dos paletes na estrutura, ou seja, no carregamento e no descarregamento. Os produtos estocados não se locomovem de forma automatizada e são indicados para
racks em que a rotatividade dos produtos é pequena. Entre os sistemas estáticos
podemos citar: porta-pallets, drive-in, drive-through e cantilever (RIBEIRO, 2006).
2.1.2. Sistemas dinâmicos
Os sistemas dinâmicos são indicados para locais onde é necessária a alta rotatividade dos produtos estocados. Esse tipo de sistema de armazenagem apresenta grande acessibilidade aos produtos porque existem “rolos” que fazem a movimentação dos paletes, por gravidade, sendo necessários apenas dois corredores de acesso para as empilhadeiras: o primeiro para carregamento e o segundo para descarregamento. Como exemplo, é possível destacar o flow-rack e o push-back (RIBEIRO, 2006).
O estudo deste trabalho será de sistemas estáticos tipo porta-pallets, sendo que
no item 2.3 é apresentado seu princípio de funcionamento e componentes.
2.3. Sistema do tipo porta-pallets
O sistema porta-pallets convencional mostrado na Figura 2.6 é o mais usado em
13
empilhadeiras, que transladam em corredores específicos garantindo a movimentação das cargas com o mínimo de operações possíveis.
FIGURA 2.6 - Esquema de um sistema porta-pallets em funcionamento (MECALUX, 2011).
A altura desse sistema é determinada pelo alcance do equipamento que movimenta as cargas. No tipo convencional, as empilhadeiras alcançam uma altura média de 6m. A desvantagem desse sistema é a necessidade dos corredores de acesso, o que diminui o volume de produtos estocados.
Na Figura 2.7, é mostrada uma vista superior do sistema, indicando seus corredores de acesso. Na Figura 2.8, é exibida uma imagem tridimensional do sistema indicando seus principais componentes.
14
FIGURA 2.8 - Componentes do sistema porta-pallets. Vista tridimensional (MECALUX, 2011).
2.3.1. Elementos componentes do sistema porta-pallets
A seguir, tem-se uma descrição dos principais componentes do sistema porta-pallets, a saber: vigas, colunas, contraventamentos, distanciadores, placa de base e
ligações viga-coluna. 2.3.1.1.Vigas
As vigas têm a finalidade de receber o carregamento dos paletes e transmiti-lo às colunas e bases por meio das ligações (OLIVEIRA, 2000).
A Figura 2.9 apresenta as seções mais usuais (abertas e fechadas) para as vigas do sistema porta-pallets.
FIGURA 2.9 – Seções transversais usuais das vigas do porta-pallets. Da esquerda para direita: seções U,
I, sigma, fechada e semi-aberta (Ue) (RIBEIRO, 2006).
Coluna Viga
Contraventamento
Ligação
Elemento de proteção
15
As seções abertas são mais econômicas, e sua fabricação por meio da conformação a frio é mais fácil em relação às seções fechadas, embora aquelas apresentem menor estabilidade. Para o carregamento do sistema porta-pallets, são utilizados geralmente dois paletes por viga, embora tal configuração possa ser alterada em função da necessidade do cliente chegando a três paletes por viga (FIGURA 2.10).
FIGURA 2.10 – Tipo de configuração de carregamento utilizado no sistema porta-pallets. No centro da
imagem três paletes por viga e no canto direito dois paletes por viga (ÁGUIA, 2011).
2.3.1.2.Colunas
16
FIGURA 2.11 - Tipos de seções utilizadas nas colunas dos racks (CAMPOS, 2003).
(a) (b)
FIGURA 2.12 – Ligação dos contraventamentos nas colunas: (a) com flanges de ligação da seção tipo rack; (b) com cantoneiras adicionais na seção tipo U enrijecido (RIBEIRO, 2006).
2.3.1.3.Contraventamentos
Os contraventamentos são peças estruturais que garantem a estabilidade do sistema, tendo seções do tipo cantoneira e U enrijecido. No sistema de armazenagem do tipo porta-pallets, os contraventamentos são fixados em suas faces laterais (FIGURA
2.13).
Flange de ligação
Seções tipo rack Seção Tipo U enrijecido
17
FIGURA 2.13 - Contraventamentos laterais do sistema porta-pallets (ÁGUIA, 2011).
Dependendo da necessidade, é possível também inserir contraventamentos verticais de fundo no sistema (FIGURAS 2.14 (a) e 2.14 (b)) e também contraventamentos horizontais internos aos planos de carga (FIGURA 2.14(c)). O primeiro tem a desvantagem da perda de acessibilidade aos produtos por um dos lados dos racks; e o segundo, pelo aumento do custo e tempo na montagem da estrutura.
(a) (b)
Contraventamento Lateral (face lateral)
18
(c)
FIGURA 2.14 – Contraventamentos adicionais para o sistema porta-pallets: (a) Contraventamento
vertical (ALTAMIRA, 2011); (b) Contraventamento vertical (MECALUX, 2011); (c) Contraventamento horizontal (ALTAMIRA, 2011).
2.3.1.4.Distanciadores
Os distanciadores são peças com a função de interligar as colunas adjacentes e estão posicionados na face lateral do sistema, no mesmo plano dos contraventamentos, entre colunas. Os distanciadores são geralmente compostos por seções do tipo U simples. A Figura 2.15 ilustra esses elementos.
FIGURA 2.15 - Distanciadores do sistema porta-pallets (ESMENA, 2011).
2.3.1.5.Placas de base
As placas de base têm por função fixar as colunas e distribuir a carga que transmitem ao piso de apoio (ALTAMIRA, 2011). São compostas por chapas finas e
19
fixadas no piso por meio de parafusos (FIGURA 2.16). O nivelamento do piso é de suma importância para que as imperfeições geométricas não apareçam na estrutura. Caso sejam detectados desníveis elevados no piso, devem ser acrescentadas placas niveladoras.
FIGURA 2.16 - Placa de base mais usada nos sistemas porta-pallets (RIBEIRO, 2006).
Na face frontal dos sistemas de armazenagem tipo porta-pallets, as placas de
base podem ter sua ligação considerada rotulada. Já na face lateral, a ligação devido aos parafusos de fixação pode ser considerada rígida.
2.3.1.6.Ligações viga-coluna
As ligações entre as vigas e colunas desse tipo de sistema serão apresentadas e detalhadas no capítulo 3 - Ligações.
2.4. Estabilidade do sistema
Nos sistemas de armazenagem industrial, a estabilidade estrutural é um fator determinante para o seu bom funcionamento. No porta-pallets, a estabilidade é
garantida pelos contraventamentos fixados na face lateral da estrutura, pelos contraventamentos adicionais (quando necessários) de fundo e no plano horizontal entre as vigas e pela rigidez das ligações. Outro fator que não pode ser descartado da análise
Chumbadores (“parabolt”) fixados no piso (face lateral)
20
dessas estruturas é o efeito não-linear P- , que relaciona as forças axiais “P” com seus respectivos deslocamentos laterais “ ” (BEALE et al, 2004).
2.5. Critérios de operacionalização e segurança
Para garantir a integridade dos racks, quanto à operação e à segurança, o RMI
(2008) recomenda que:
• A carga máxima dimensionada para a estrutura não pode ser ultrapassada. Assim, placas indicando essa carga suportada por unidade e de todo o sistema deverão ser instaladas em locais de fácil visibilidade;
• O sistema não pode ser alterado em sua configuração sem autorização do fabricante;
• Os paletes a serem usados, principalmente os de madeira, devem ter sua integridade mantida em ótimas condições de uso;
• Os produtos estocados devem estar empilhados corretamente para serem estáveis, e os paletes sob os produtos devem estar apoiados nas vigas;
21
Capítulo 3
LIGAÇÕES
Neste capítulo, são descritas a classificação das ligações viga-coluna e a importância da avaliação da rigidez da ligação em função do tipo de rack utilizado. São
apresentadas também as formulações do RMI (2008) para a determinação dos valores de rigidez das ligações dos sistemas porta-pallets por meio do ensaio Cantilever Test.
Por fim, são mostrados os valores de rigidez encontrados com base nos ensaios experimentais realizados anteriormente por Freitas e Silva (2007).
3.1. Ligações semi-rígidas
As ligações viga-coluna (parafusadas ou não-parafusadas) podem ser classificadas em três tipos: flexíveis, semi-rígidas ou rígidas.
As ligações flexíveis são aquelas que permitem a rotação relativa entre as peças com um comportamento próximo ao de uma rótula, transmitindo um pequeno momento fletor. As ligações rígidas têm rigidez suficiente para manter praticamente constante o ângulo entre as peças (rotação quase nula) para qualquer nível de carga, até atingir o momento resistente da ligação. E, por último, as ligações semi-rígidas, consideradas intermediárias entre as flexíveis e a rígidas (PFEIL, 2008).
Oliveira (2000), Aguirre (2005) e Souza (2005) realizaram trabalhos que consideravam as ligações dos sistemas de armazenagem industrial como semi-rígidas, conseguindo bons resultados em relação à resistência da estrutura.
Nos racks, as ligações semi-rígidas são as que melhor simulam o seu
comportamento, devido principalmente às “garras dentadas” existentes nas extremidades das vigas para a conexão com as colunas.
22
perceberam que, admitindo as ligações como flexíveis (rotuladas), sem estudos mais profundos, estavam, em determinadas situações, tornando os sistemas superdimensionados economicamente. Por isso, desenvolveram ensaios experimentais para quantificar a rigidez das ligações e, com isso, economizar no quantitativo de materiais e avaliar a estabilidade dos sistemas.
Considerando a versatilidade das ligações dos sistemas de armazenagem o RMI (Rack Manufacturers Institute), dos Estados Unidos, desenvolveu um ensaio
experimental chamado Cantilever Test e uma formulação matemática que com base nos
resultados deste ensaio, permite o cálculo da rigidez da ligação dos racks. O ensaio e a
formulação matemática são apresentados a seguir.
3.2. Prescrições do RMI para cálculo da rigidez
As prescrições do RMI (2008) consideram avaliações experimentais para determinar o valor da rigidez das ligações viga-coluna dos racks. A seguir tem-se a
descrição do ensaio Cantilever Test e da equação existente para a avaliação desses
valores.
3.2.1. Ensaio da viga em balanço (Cantilever Test)
Numa análise estrutural que considera as ligações rígidas, os seus elementos devem manter constante o ângulo formado entre a viga e coluna (devido à carga aplicada). Em racks, o comportamento não se apresenta dessa maneira. Se forem
consideradas as ligações desses sistemas como rígidas, haverá influência direta no comportamento global, o que é muito importante visto a esbeltez da estrutura. Assim, é praticamente impossível estabelecer um procedimento geral para definir a rigidez do sistema. A determinação da rigidez real da ligação viga-coluna é o modo mais seguro para a avaliação estrutural de sistemas do tipo rack. A rigidez é experimentalmente
obtida por meio do Cantilever Test, no qual a rotação (ângulo em radianos) é definida
por uma relação linear entre o momento e a rigidez.
O Cantilever Test, portanto, é um ensaio no qual são obtidos o comportamento
23
considera a parcela do esforço cortante (devido à reação vertical) na ligação. O momento fletor é o único esforço considerado. A configuração do ensaio é apresentada na Figura 3.1 e consiste em um protótipo padrão com coluna de 76cm de altura engastada em suas extremidades em suportes rígidos, conectada em sua meia altura a uma viga de 66cm de comprimento. A carga é aplicada sobre a viga a 61cm da face da coluna. Nesse ponto, um transdutor de deslocamentos deve ser instalado.
A metodologia de ensaio consiste na aplicação de carregamentos graduais, e os deslocamentos são medidos a cada etapa do carregamento. Os resultados obtidos são representados por meio da curva carga x deslocamento.
FIGURA 3.1 - Configuração do Cantilever Test (RMI, 2008).
Na Figura 3.1, tem-se a nomenclatura e as dimensões dos elementos do protótipo padrão, sendo:
P = carga aplicada na extremidade da viga; Lb = comprimento do braço de alavanca da viga; Lc = comprimento da coluna.
Coluna
Placa para distribuição do carregamento
Viga
Transdutor de deslocamentos P
Lc = 76cm
24 3.2.2. Rigidez da ligação do Cantilever Test
A rigidez da ligação viga-coluna dos racks pode ser obtida considerando a
relação momento (M) versus a rotação linear (θ), sendo expressa por:
F =
(3.1)Utilizando a conhecida carga vertical aplicada P e o deslocamento resultante dessa
carga aplicada na extremidade livre da viga dado pela seguinte equação:
δ =
²(
+
+ )
(3.2)
Resolvendo a equação em termos de F, obtém-se, portanto, a rigidez da ligação
prescrita pelo RMI (2008), considerando uma análise linear:
b b c c b EI L EI L L P F R F 3 16 ) . ( 2 85 , 0 85 ,
0 − −
=
δ (3.3)
Onde:
P0.85 = carga referente a 85% da carga última;
δ0,85 = deslocamento correspondente ao valor da carga P0,85;
F = rigidez da ligação (kNm/rad); M = momento da ligação (kNm);
θ = rotação (radianos);
Lb = comprimento do braço de alavanca da viga (61 cm); Lc = comprimento da coluna (76 cm);
E = módulo de elasticidade (E= 200000 MPa);
25
Ib = momento de inércia da seção transversal da viga em torno do eixo perpendicular ao plano da figura;
R.F. = 2/3 (fator de redução para garantir segurança quanto à dispersão dos resultados dos testes. É utilizado no dimensionamento de vigas);
R.F. = 1 (fator de redução para garantir segurança quanto à dispersão dos resultados dos testes. É utilizado no dimensionamento de colunas).
No denominador da equação 3.3, observa-se três parcelas que contribuem para a avaliação da rigidez da ligação. A primeira considera os valores obtidos experimentalmente, portanto, o valor real total do deslocamento ou a rotação da ligação; a segunda leva em conta a relação rotação momento à meia altura da coluna (ANEXO I); e a terceira parcela, a relação rotação momento relativa a uma viga em balanço submetida a uma carga concentrada na extremidade. Assim, da rotação real total determinada experimentalmente é retirada a parcela relativa à rotação da coluna e da viga, de modo a obter o valor da rigidez da ligação. Observa-se, no entanto, que toda a análise é linear, e o comportamento observado nos ensaios tem uma não linearidade que não é considerada na equação.
O par de valores P0,85 e 0,85 deve ser obtido por meio da curva carga x
26
FIGURA 3.2 - Obtenção do par de valores P0,85 e 0,85 por meio da curva carga x deslocamento
com indicação da carga última (Pu) (OLIVEIRA, 2000).
Segundo o RMI, para determinar o valor final da rigidez, devem ser efetuados dois testes idênticos. Se os resultados apresentarem um desvio padrão superior a 10%, um terceiro ensaio deve ser realizado. A média dos dois valores mais elevados deve ser considerada como o resultado da rigidez da ligação viga-coluna.
3.3. Apresentação dos resultados experimentais
Os resultados experimentais foram determinados por Freitas e Silva (2007) no Laboratório de Estruturas do Departamento de Engenharia Civil, da Escola de Minas, na Universidade Federal de Ouro Preto. O programa experimental teve como objetivo a determinação dos valores de rigidez das ligações viga-coluna dos racks tipo porta-pallets, embasado nas prescrições do RMI (2008). Foram realizados os ensaios do tipo Cantilever Test e Portal Test, sendo apenas o primeiro objeto de estudo nesta
dissertação.
Uma observação importante a ser feita é sobre o comprimento da coluna usada no ensaio Cantilever Test. Segundo o RMI (2008), a coluna deverá ter comprimento
27
a 79,6cm. Isso ocorreu para que as perfurações da coluna não interferissem no engastamento das extremidades.
Os resultados obtidos com o ensaio do Cantilever Test serão mostrados após
uma breve apresentação dos perfis utilizados e de suas propriedades geométricas necessárias para o cálculo da rigidez da ligação.
3.3.1. Dimensões e propriedades geométricas dos perfis utilizados
Os perfis utilizados nos ensaios foram de três seções diferentes para as colunas e três seções diferentes para as vigas. A seção transversal das colunas foi do tipo rack ou garrafa e são identificadas como C1, C2 e C3, todas com espessuras de 2,25mm. As vigas são de seção transversal tipo caixão com as seguintes dimensões: 42x88mm, 50x105mm, 50x120mm (largura x altura em milímetros), todas com espessuras de 2,0mm. Na Figura 3.3, tem-se a nomenclatura utilizada nas dimensões do perfil da coluna; e na Tabela 3.1, os valores nominais das dimensões dos perfis ensaiados, C1, C2 e C3.
FIGURA 3.3 - Nomenclatura adotada para identificação das dimensões da seção tipo rack das colunas. L1
L2
L3
L4
L5 L6
Lt
28
TABELA 3.1 - Dimensões nominais das seções das colunas tipo C1, C2 e C3.
Dimensões
Nominais C1 C2 C3
Lt (mm) 54,0 68,0 84,0
L1 (mm) 76,0 84,0 94,0
L2 (mm) 30,0 34,0 50,0
L3 (mm) 4,0 12,0 13,0
L4 (mm) 20,0 21,0 21,0
L5 (mm) 32,0 32,0 32,0
L6 (mm) 22,0 26,0 31,0
L7 (mm) 22,4 28,6 33,6
A partir das três seções das colunas e considerando que cada coluna é conectada a três vigas, as nove configurações distintas de ligações foram analisadas e ensaiadas e, posteriormente, foram encontrados os valores de rigidez experimentais. As combinações criadas, segundo Freitas e Silva (2007), e a nomenclatura dos ensaios são indicadas na Tabela 3.2.
TABELA 3.2 - Nomenclatura adotada para as configurações dos modelos experimentais.
Coluna Viga (mm) Nº do ensaio Nomenclatura
C1
42x88 ( ) C1-42x88 ( )
50x105 ( ) C1-50x105 ( )
50x120 ( ) C1-50x120 ( )
C2
42x88 ( ) C2-42x88 ( )
50x105 ( ) C2-50x105 ( )
50x120 ( ) C2-50x120 ( )
C3
42x88 ( ) C3-42x88 ( )
50x105 ( ) C3-50x105 ( )
50x120 ( ) C3-50x120 ( )
29
(a) (b)
FIGURA 3.4 - Sistema de eixos utilizados para cálculo das propriedades geométricas: (a) colunas; (b) vigas.
TABELA 3.3 - Valores das inércias calculadas para determinação da rigidez da ligação.
Coluna Momento de inércia (cm(em torno do eixo y) 4)
C1 21,583
C2 32,9552
C3 51,0578
Viga Momento de inércia (cm(em torno do eixo x) 4)
42x88 48,8657
50x105 84,5968
50x120 117,9950
3.3.2. Resultados experimentais
Na Tabela 3.4, são apresentados os resultados experimentais obtidos por meio do ensaio Cantilever Test para as ligações viga-coluna.
x y
CG
x
30
TABELA 3.4 - Resultados experimentais do Cantilever Test (FREITAS; SILVA, 2007).
COLUNAS C1 P (kN) P0,85 (kN) (mm) 0,85 (mm)
F (kNm/rad) F (média) (kNm/rad)
R.F=1 R.F=1
C1-42x88 (1) 2,705 2,300 21,879 14,601 71,888
72,227
C1-42x88 (2) 2,560 2,176 21,614 13,714 72,566
C1-50x105 (1) 3,382 2,875 23,801 15,458 82,268
78,458
C1-50x105 (3) 3,182 2,705 24,677 15,796 74,647
C1-50x120 (1) 4,040 3,434 29,447 18,022 82,374
86,203
C1-50x120 (2) 3,810 3,239 24,251 15,754 90,032
COLUNAS C2 P (kN) P0,85 (kN) (mm) 0,85 (mm)
F (kNm/rad) F (média) (kNm/rad)
R.F=1 R.F=1
C2-42x88 (1) 2,585 2,197 21,323 13,948 69,650
69,423
C2-42x88 (2) 2,784 2,366 24,754 15,216 68,895
C2-50x105 (1) 2,699 2,294 19,364 12,239 80,470
81,812
C2-50x105 (2) 2,500 2,215 17,360 11,018 83,154
C2-50x120 (1) 3,714 3,157 27,684 15,171 88,193
88,701
C2-50x120 (2) 3,418 2,905 22,024 13,823 89,209
COLUNAS C3 P (kN) P0,85 (kN) (mm) 0,85 (mm)
F (kNm/rad) F (média) (kNm/rad)
R.F=1 R.F=1
C3-42x88 (1) 2,579 2,192 24,159 15,801 59,277
57,186
C3-42x88 (2) 2,905 2,469 32,804 18,976 55,094
C3-50x105 (1) 3,291 2,797 33,278 19,091 59,907
61,048
C3-50x105 (2) 3,400 2,890 31,471 19,063 62,189
C3-50x120 (1) 4,251 3,613 32,208 19,677 75,086
72,730
C3-50x120 (2) 4,028 3,424 32,534 19,779 70,374
31
TABELA 3.5 - Modelos selecionados para serem utilizados na análise numérica descrita no capítulo 4.
COLUNAS C1 P (kN) P0,85 (kN) (mm) 0,85 (mm)
F (kNm/rad) R.F=1
C1-42x88 (2) 2,560 2,176 21,614 13,714 72,566
C1-50x105 (3) 3,182 2,705 24,677 15,796 74,647
C1-50x120 (2) 3,810 3,239 24,251 15,754 90,032
COLUNAS C2 P (kN) P0,85 (kN) (mm) 0,85 (mm)
F (kNm/rad) R.F=1
C2-42x88 (1) 2,585 2,197 21,323 13,948 69,650
C2-50x105 (1) 2,699 2,294 19,360 12,239 80,470
C2-50x120 (2) 3,418 2,905 22,024 13,823 89,209
COLUNAS C3 P (kN) P0,85 (kN) (mm) 0,85 (mm)
F (kNm/rad) R.F=1
C3-42x88 (1) 2,579 2,192 24,159 15,801 59,277
C3-50x105 (1) 3,291 2,797 33,278 19,091 59,907
C3-50x120 (2) 4,028 3,424 32,534 19,779 70,374
Onde:
P = carga última;
P0.85 = carga referente a 85% da carga última;
δ = deslocamento último;
δ0,85 = deslocamento correspondente ao valor da carga P0,85;
F = rigidez da ligação;
32
Capítulo 4
ANÁLISE NUMÉRICA DAS LIGAÇÕES
Neste capítulo, são apresentados a metodologia utilizada na análise numérica das ligações semi-rígidas do sistema de armazenagem tipo porta-pallets e os resultados
encontrados. Nove modelos numéricos foram simulados por meio do software Ansys 11.0, para avaliação da rigidez das ligações viga-coluna utilizando as prescrições do
RMI (2008) vistas no capítulo 3. A geometria dos modelos, as propriedades dos materiais empregados, os elementos finitos aplicados, as condições de contorno dos elementos e o método usado para obtenção das cargas e deslocamentos são expostos neste capítulo. Ao seu final, são exibidos os resultados obtidos considerando a análise não linear física e geométrica.
4.1. Descrição dos modelos numéricos
A nomenclatura utilizada para os modelos numéricos é apresentada na Tabela 4.1.
TABELA 4.1 - Nomenclatura dos modelos numéricos.
NOMENCLATURA DOS MODELOS
Coluna Viga (mm) Nº do ensaio Experimental Numérico
C1
42x88 (2) C1-42x88 (2) NC1-42x88
50x105 (3) C1-50x105 (3) NC1-50x105
50x120 (2) C1-50x120 (2) NC1-50x120
C2
42x88 (1) C2-42x88 (1) NC2-42x88
50x105 (1) C2-50x105 (2) NC2-50x105
50x120 (2) C2-50x120 (2) NC2-50x120
C3
42x88 (1) C3-42x88 (1) NC3-42x88
50x105 (1) C3-50x105 (1) NC3-50x105
33 4.1.1. Modelagem geométrica
Os desenhos iniciais dos elementos constituintes dos modelos numéricos (coluna, garra e viga) que simularam o ensaio Cantilever Test, prescrito pelo RMI
(2008), se deram por meio do software AutoCad 2008 (FIGURA 4.1). As principais
dimensões das colunas, vigas e garras são mostradas na Tabela 4.2.
FIGURA 4.1 - Modelo inicial gerado no software AutoCad 2008.
TABELA 4.2 – Principais dimensões das colunas, vigas e garras constituintes dos modelos numéricos.
Elemento Espessura (mm) Comprimento (mm)
COLUNA 2,25 796
VIGA 2,0 660
GARRA 3,3 235
Do AutoCad 2008, os modelos iniciais foram exportados para o Ansys 11.0,
34
FIGURA 4.2 – Modelo geométrico finalizado.
4.1.2. Propriedades dos materiais utilizados
Na análise dos modelos numéricos, foi utilizado material com relação tensão x deformação com diagrama bi-linear. Na tabela abaixo, são apresentadas as propriedades gerais desse material e o tipo de aço constituinte das colunas, vigas e garra.
TABELA 4.3 – Propriedades gerais do material utilizado nos modelos e o tipo de aço das colunas, vigas e garra.
Propriedades Gerais
Módulo de Elasticidade do aço (E) 200.000
Coeficiente de Poisson (v) 0,33
Coeficiente de atrito estático entre aços secos 0,74
Peça Aço fy (MPa) fu (MPa) Observação
Coluna 1 (C1)
A570-Gr45
485,56 529,69 Valores obtidos através de ensaio de caracterização do aço
Coluna 2 (C2) 434,85 539,21
Coluna 3 (C3) 413,59 516,21
Vigas ASTM A36 250 400 Valores Nominais
Garra SAE 1020 180 300 Valores Nominais
35 4.1.3. Elementos finitos utilizados
Entre os vários elementos de casca disponíveis na biblioteca do Ansys, foi
escolhido para a simulação numérica das ligações viga-coluna neste trabalho o elemento
Shell 181. Sua escolha deve-se ao sucesso obtido em simulações anteriores (SOUZA,
2005) e também pela facilidade de adaptação aos contornos das colunas, das vigas e, principalmente, aos das garras.
O elemento Shell 181 (FIGURA 4.3) apresenta quatro nós com seis graus de
liberdade por nó, translações nas direções x, y e z, e rotações em torno de x, y e z.
FIGURA 4.3 – Elemento de casca Shell 181 (Ansys11.0).
Para simular o contato entre as colunas e as garras da ligação viga-coluna, foram utilizados os elementos Target 170 e Conta 174. O Target 170 foi usado por ser um
36
FIGURA 4.4 – Elemento de contato Target 170 (Ansys11.0).
O elemento Conta 174 se aplica a estruturas 3-D e apresenta as mesmas
características do elemento Shell ou “sólido”, o qual está ligado. Apresenta três graus de
liberdade por nó (FIGURA 4.5).
FIGURA 4.5 – Elemento de contato Conta 174 (Ansys11.0).
Na Figura 4.6, o elemento Shell 181 é utilizado na coluna (elementos
triangulares), na viga (elementos quadrilaterais) e na garra (elementos triangulares).
Elemento de contato Target 170
Superfície-Superfície Elemento de contato Conta 173 ou Conta 174
Elemento de contato Target aplicado nas superfícies indicadas
Elementos de contato
Superfície do
37
FIGURA 4.6 – Detalhe do elemento Shell 181aplicado no modelo numérico.
Os elementos Target 170 e Conta 174 foram aplicados no contato entre a garra e
a coluna (FIGURA 4.7), no qual o atrito estático ocorre à medida que o carregamento é aplicado.
FIGURA 4.7 – Elementos Target 170 (verde) e Conta 174 (marrom), aplicados no contato garra-coluna.
38 4.1.4. Condições de contorno
Segundo o RMI (2008), para executar o ensaio Cantilever Test, as duas
extremidades da coluna devem estar conectadas a suportes rígidos para que, durante o ensaio, não ocorram deslocamentos laterais da coluna. No modelo numérico, os suportes rígidos foram representados pelo engastamento de todos os nós das seções extremas da coluna, restringindo, assim, todos os seus movimentos (FIGURA 4.8).
FIGURA 4.8 – Restrições aplicadas aos nós das seções extremas da coluna simulando os suportes rígidos.
Os sistemas de armazenagem industrial apresentam pinos de segurança para garantir a estabilidade do sistema caso a garra se desloque sob a ação de cargas, não perdendo, assim, o contato com a coluna. Para chegar à melhor maneira de representar os pinos, vários modelos foram simulados (baseados em estudos anteriores como Sarawit e Pekoz (2003)), sendo as principais tentativas:
- Acoplamento dos nós dos furos da coluna e da garra, liberando os movimentos de rotação de ambos e restringindo as translações;
- Acoplamento dos nós dos furos da coluna e da garra, restringindo todos os movimentos de rotação e translação dos nós dos furos inferiores e liberando completamente os nós dos furos superiores;
- Acoplamento dos nós dos furos da coluna e da garra restringindo todos os movimentos de rotação e translação;
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A última tentativa foi a que acarretou melhores resultados pós-convergência dos modelos, garantindo que a coluna e a garra trabalhassem sempre juntas (FIGURA 4.9). Para que os modelos numéricos não apresentassem problemas de movimento de corpo rígido durante a sua execução, foi necessário também o acoplamento (graus de liberdade restringidos) de alguns nós da parte externa da garra com nós da face externa da alma da coluna (FIGURA 4.9). Tais nós foram escolhidos após tentativas com diferentes configurações de acoplamento.
FIGURA 4.9 - Acoplamento dos nós dos furos da coluna e garra (direita); e na região garra-coluna (esquerda).
4.2. Aplicação do Carregamento
Neste trabalho, vários modelos foram simulados de acordo com a aplicação do controle de carga direta sobre a viga a 61cm da face lateral da coluna, conforme descreve o RMI (2008) para a realização do ensaio Cantilever Test. Esse método não
demonstrou bons resultados para a modelagem aqui proposta devido a vários parâmetros de instabilidade dos perfis formados a frio. Assim, foi utilizado para a modelagem numérica o controle dos deslocamentos para a aplicação do carregamento. Dessa forma, foi feita a liberação do deslocamento do nó central da viga, na posição indicada pelo RMI, a 61cm da face da coluna para aplicação da carga (FIGURA 4.10), limitando, porém, a translação vertical do nó ao valor de deslocamento que se deseja
Nós acoplados
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obter. Após a aplicação desse método, as cargas aplicadas em cada passo para a obtenção dos deslocamentos são obtidas.
FIGURA 4.10 - Translação liberada em “z” para obtenção do deslocamento desejado.
4.3. Apresentação e análise dos resultados
Nesta seção, são apresentados os resultados das análises numéricas realizadas quanto: às tensões; às cargas últimas obtidas com o deslocamento máximo; o mecanismo de colapso observado; e os valores de rigidez de todos os modelos numéricos das ligações viga-coluna, com base no ensaio Cantlever Test e equação (3.3).
Os resultados dos modelos numéricos são expostos em três etapas, sendo cada uma delas representada por um tipo de coluna (C1, C2 ou C3) associada aos três respectivos
tipos de vigas (42x88, 50x105 e 50x120).
4.3.1. Modelos NC1-42x88, NC1-50x105 e NC1-50x120
Deslocamentos e cargas últimas obtidas
Nesses três modelos da coluna “C1”, os deslocamentos controlados por meio do método de controle de deslocamentos no eixo “z” (translação vertical liberada no nó sugerido pelo RMI para aplicação de carga) são indicados na Tabela 4.4, junto aos respectivos valores obtidos das cargas últimas (cargas máximas atingidas quando os deslocamentos impostos foram alcançados).
41
TABELA 4.4 - Deslocamentos máximos controlados e cargas últimas encontradas.
Deslocamento (mm) Carga última (kN)
NC1-42x88 21,614 2,623
NC1-50x105 24,677 3,803
NC1-50x120 24,251 4,542
Análise de tensões
As tensões (von Mises) resultantes de cada modelo são apresentadas na Figura
4.11, e pode-se observar que as mesmas ultrapassaram o limite de escoamento de seus aços em algumas regiões.
42
(c)
FIGURA 4.11 - Distribuição de tensões (von Mises) para os modelos: (a) NC1-42x88; (b) NC1-50x105;
(c) NC1-50x120 (Escala de representação: 1,5).
Para encontrar os valores máximos das tensões que cada componente do modelo (viga, garra e coluna) foi submetido, é necessário fazer uma análise individual dessas peças, conforme apresentado a seguir:
a) Vigas
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ocorrência muito pequena, localizada na região da solda da viga com a garra. Nos modelos NC1-50x105 e NC1-50x120, as tensões máximas chegaram a 617,988 MPa na região de conexão da viga com a garra e 667,734 MPa na região de aplicação da carga, respectivamente. Como as peças possuem inércias maiores que a viga do modelo NC1-42x88, elas absorvem grande parte das tensões no ponto de aplicação de carga (segundo RMI) antes de transferi-las para a ligação viga-coluna.
(a)
44
(c)
FIGURA 4.12 - Distribuição de tensões (von Mises) das vigas dos modelos: (a) 42x88; (b)
NC1-50x105; (c) NC1-50x120 (Escala de representação: 1,5).
b) Garras
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(a) (b) (c)
FIGURA 4.13 - Distribuição de tensões nas garras dos modelos: (a) NC1-42x88; (b) NC1-50x105; (c) NC1-50x120 (Escala de representação: 1,5).
c) Colunas
A tensão de escoamento do aço das colunas utilizadas nos modelos em questão é de 485,56 MPa. Na Figura 4.14, tem-se a distribuição das tensões (von Mises) para as
46
(a) (b)
(c)
FIGURA 4.14 - Distribuição de tensões (von Mises) nas colunas dos modelos: (a) 42x88; (b)
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Rigidez da ligação
Após a simulação dos modelos numéricos da ligação viga-coluna, baseada nas prescrições do RMI por meio do ensaio Cantilever Test, a curva carga-deslocamento
(FIGURA 4.15) foi obtida.
FIGURA 4.15 - Curva carga x deslocamento da ligação dos modelos 42x88, 50x105 e NC1-50x120.
Pela Figura 4.15, pode-se concluir que o modelo NC1-50x120 é o mais rígido dos três modelos apresentados, sendo o valor da rigidez aumentado de acordo com o crescimento da inércia das vigas. Com os pares de valores retirados da curva carga x deslocamento (P0,85 e 0,85) descritos na Figura 4.15, por meio da equação (3.3) prescrita pelo RMI (2008), obtiveram-se os valores de rigidez dos modelos que são apresentados na Tabela 4.5.
TABELA 4.5 - Rigidezes encontradas para os três modelos da coluna C1 através da equação (3.3).
Modelo P0,85 (kN) 0,85 (mm) F (kNm/rad)
NC1-42x88 2,230 14,760 68,330
NC1-50x105 3,233 17,250 83,026
NC1-50x120 3,861 17,200 99,915
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4.3.2. Modelos: NC2-42x88, NC2-50x105 e NC2-50x120
Deslocamentos e cargas últimas obtidas
Para os três modelos numéricos em questão, os deslocamentos controlados por meio do método de controle de deslocamentos no eixo “z” (translação vertical liberada no nó sugerido pelo RMI para aplicação de carga) são indicados na Tabela 4.6 a seguir, juntamente aos valores das cargas últimas obtidos ao se atingir os deslocamentos impostos.
TABELA 4.6 - Deslocamentos máximos liberados e cargas últimas encontradas.
Deslocamento (mm) Carga última (kN)
NC2-42x88 21,300 2,905
NC2-50x105 19,364 3,056
NC2-50x120 22,024 2,964
Na Figura 4.16, serão mostradas as distribuições de tensões (von Mises) para os
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(a) (b)
(c)
FIGURA 4.16 - Distribuição das tensões (von Mises) dos modelos: 42x88, 50x105 e
NC2-50x120 (Escala de representação: 1,5).
50
a) Vigas
Com base na Figura 4.17, pode-se afirmar que todas as vigas dos modelos da coluna “C2” atingiram e ultrapassaram a tensão de escoamento do seu aço (fy=250 MPa), sendo alcançadas tensões de 558,841 MPa, 905,370 MPa e 470,42 MPa, para as os modelos NC2-42x88, NC2-50x105 e NC2-50x120, respectivamente. Observa-se que, na região do deslocamento liberado (onde são aplicadas as cargas segundo RMI) e na região de conexão da viga com a garra, as tensões chegaram aos seus maiores valores. O primeiro devido à falta de meios do método de controle de deslocamentos em reduzir as tensões localizadas no ponto de aplicação da carga; e o segundo por não ter havido simulação da solda da conexão nos modelos. Nota-se que devido a sua maior inércia, a viga do modelo NC2-50x120 apresentou tensões elevadas no ponto de liberação do deslocamento (ponto de aplicação da carga segundo RMI) superiores aos valores obtidos nos demais modelos.
(a)
51
(c)
FIGURA 4.17 - Distribuição das tensões (von Mises) das vigas dos modelos: (a) 42x88; (b)
NC2-50x105; e (c) NC2-50x120 (Escala de representação: 1,5).
b) Garras
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(a) (b) (c)
FIGURA 4.18 - Distribuição de tensões (von Mises) das garras dos modelos: (a) 42x88; (b)
NC2-50x105; (c) NC2-50x120 (Escala de representação: 1,5).
c) Colunas
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(a) (b)
(c)
FIGURA 4.19 - Distribuição das tensões (Von Mises) das colunas dos modelos: (a) 42x88; (b)
